※ 课程发展的主要历史沿革   ※ 理论教学内容  ※ 实践教学内容   ※ 教学条件

※ 教学方法与教学手段      ※ 教学效果

  


※ 课程发展的主要历史沿革


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水力学的发展既依赖于生产实践和科学实验,又受社会生产力发展的影响,其发展历史可追溯到很久很久已前。我国对水流运动的研究大约始于40000多年前的大禹治水,直到14世纪以前,我国的科学技术一直处于世界领先地位。大约15世纪后半期,欧洲的水力学才开始萌芽,16-17世纪有了发展,牛顿(Issac Newton,1642-1727)为这一时期最杰出的科学家,他首次提出了液体运动的内摩擦定律。18-19世纪,水力学及古典流体力学(古典水动力学)取得了重大进展,并形成两门独立的学科。其中水力学注重实验方法和实际工程的应用研究,获得了一批经验的、以及半经验、半理论公式,对促进水利工程技术发展,起了不可替代的作用。其代表人物是一批成就卓著的工程师,如皮托、谢才、文丘里、魏斯巴赫、达西、曼宁等。古典流体力学则应用严密的数学分析,建立流体运动的基本方程,并力图求出数学解答。其代表人物主要为一批数学家和物理学家,如伯诺里、欧拉、纳维尔、司托克斯、雷诺等。进入20世纪以后,随着现代工业的飞速发展,新技术不断涌现,水力学和古典流体力学进入了一个崭新的发展时期,并逐渐走上了一条相互融合的道路。1904年德国工程师、现代流体力学的奠基人普朗特(Ludwig Prandtl)首次提出了边界层理论,使纯理论的古典流体力学走上了与工程实际相结合的道路,从而形成一门理论与实验并重的现代流体力学。同时由于得到现代流体力学基本理论的充实,使水力学的理论基础更加完善、系统;在试验研究方面,由于量纲分析、相似原理和模型试验理论研究方面的进展,使水力学的面貌大为改观。如今,水力学与现代流体力学在发展中相互渗透、相互补充、相互促进。

20世纪60年代以来,随着计算机的问世和现代科学技术的飞速发展,各种数值计算方法日新月异。水力学涌现出一批新兴的分支学科:计算水力学、实验水力学、水工水力学、环境水力学、资源水力学、生态水力学、非牛顿流体学、多相流流体力学、可压缩流体力学等等。

《水力学》作为大学本科生课程已有近百年历史,作为武汉大学的本科生课程也有半个多世纪了。《水力学》是让学生实现由基础课程学习向专业课程学习转变、由被动接受知识向主动探索科学奥秘转变、由通才向专家转变的一门不可替代的技术基础课。

现在,水力学课程已由过去单纯为水利工程类专业的一门重要的专业基础课,发展成为土木工程、环境工程、动力机械、生物化学、以至人才流、物资流、资金流、信息流等专业或领域的重要专业基础课。也就是,所有与流体或与流动有关的问题,都离不开水力学的基本理论。武汉大学水力学教研室一直是是国内最具影响力的水力学教研室之一。系国家级重点学科《水利工程》学科的一门重要的专业基础课,经历了漫长的发展过程,形成了完整而系统的教学内容和教学体系。

自水利学院成立以来,水力学课程一直是全院的重要专业基础课和主干课程,也是为其它学科输送人才的重要基地。如中国工程院院士谢鉴衡,国际泥沙泰斗张瑞瑾,著名教授姚琢之、徐正凡、丁君松、王明甫、黄克中等教授,都是来自水力学教研室。水力学课程也一直处在全国各兄弟院校的领先位置。已故著名教授徐正凡先生主编的《水力学》曾获教育部优秀教材一等奖。早在20世纪80年代初期,武汉大学(当时的武汉水利电力学院)就是国家教委水力学课程指导委员会成员单位之一。郑邦民教授从80年至90年曾连续担任3届担任教育部水力学课程指导委员会委员。在国家教委和该委员会的指导下,武汉大学水力学教研室与清华大学、四川大学、河海大学等兄弟院校的水力学教研室一起,在制定水力学教学大纲、国内外水力学教材调研、水力学教材建设、水力学课程改革、水力学教学法研究与交流等方面进行了大量认真、严谨的工作和活动,对于在文化大革命以后恢复水力学课程的教学秩序、提高教学质量与水平起到了重要的作用。在该时期,武汉大学水力学教研室在国内率先开展了国内外水力学教材调查研究,并及时在国家教委水力学课程指导委员会会议上进行了交流、报告。对该时期国内水力学课程的教材建设起到了很好的指导作用。在此基础上,该教研室后来进行的“坚持课程改革不断提高教学质量”教学研究项目于1989年获得了湖北省教学研究成果一等奖。在该时期,武汉大学水力学教研室组织精干教师,由徐正凡教授主编的《水力学》教材,吸收国内外有关教材的长处,力求体现水力学教材的思想性、科学性、启发性和适合我国情况的先进性及教学的适用性。得到了国内各高等院校水力学教研室的肯定。该教材于1986年荣获国家优秀教材一等奖。与此同时,该教研室还积极开展水力学的课程建设和教学改革,先后开出了水力学课程设计、计算水力学和单独开设水力学实验课、水力学试题库等课程建设和教学改革活动,并在国家教委水力学课程指导委员会会议上进行了交流。对提高水力学课程的教学质量和加强学生学习和掌握水力学理论,提高运用水力学知识分析解决水力学问题的能力起到了很好的促进作用。

进入90年代以后,该教研室槐文信教授继郑邦民教授之后继续担任了教育部基础课程力学课程指导委员会委员。随着课程改革的不断深入,该教研室在将现代电子计算机计算技术融合进水力学教材和教学、新一轮水力学教材建设、水力学流体力学开放实验室建设、水力学课程的多媒体课件设计及建设、水力学多媒体教学等多方面进行了坚持不懈的课程改革与课程建设工作。已经有了配套的教学大纲、全新的教材(包括纸质版、电子版以及多媒体网络版)、题型和题量丰富的试题库、齐全的教学辅导材料、规范化的教学文件、档案、资料管理,为全面提高该课程的教学质量提供了坚实的基础。目前武汉大学水力学课程具有该校建校以来最好的教学环境和实验条件,通过211工程几年的建设,目前武汉大学水力学课程拥有“水力学流体力学开放实验室”,该实验室系《水资源与水电工程科学》国家重点实验室的组成部分。引进了国内最先进的流场结构量测设备(PIV和ADV)、计算机辅助教学设备,研制了水力学实验教学多媒体仿真模拟软件等。目前水力学实验教学方法和教学手段正在向多元化、现代化迈进。武汉大学水力学课程拥有学历、年龄、学员结构合理的师资队伍,水力学教研室现有教师14人:教授4人,副教师7人,讲师2人,助教1人。其中具有博士学位的9人,还有3人正在攻读博士学位(在职)。平均年龄45岁。有13人分别获浙江大学、河海大学、北京大学、华中科技大学、中国水利水电科学研究院的学士、硕士、博士学位(含博士后),另有1人获德国Achen理工大学博士学位。所有的教师都参加过校内外各种形式的继续教育或培训,有11人曾赴美国、英国、德国、韩国、瑞士、日本等国进修学习,并与这些国家有长期、广泛的交流合作关系。目前师生比例为师:生=1:20

武汉大学水力学课程教师队伍敬业爱岗,教书育人,为人师表,在课程改革中,师资队伍的教学水平和整体素质不断提高。课程负责人或主讲教师师德好,学术造诣高,教学能力强,教学经验丰富,教学特色鲜明。教学团队中的教师责任感强、团结协作精神好;有合理的知识结构和年龄结构,并根据课程需要配备有辅导教师;中青年教师的培养计划科学合理,并取得实际效果。该课程教师教学思想活跃,教学改革有创意;教研活动推动了教学改革,取得了明显的成效,有国家及省部级以上成果;发表了多篇高质量的教改教研论文。该课程教学内容新颖,理论基础详实;能及时把教改教研成果或学科最新发展成果引入教学;经典课程内容与现代科技发展的关系处理得当。课程内容的技术性、综合性和探索性的关系处理得当,能有效地培养学生的创新思维能力和独立地分析问题、解决问题的能力。能理论联系实际,融知识传授、能力培养、素质教育于一体;课内、课外相结合,理论与实践相结合,教学与科研相结合,以教学促进科研,以科研成果充实教学内容;教书育人效果明显。 

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※教学内容


理论教学部分

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1.课程在本专业培养目标中的定位与课程目标

课程定位:

水力学课程是武汉大学水利水电、土木建筑、动力机械和环境工程等专业本科生的一门重要的理论(含实践)课,也是一门不可替代的技术基础课。每年必修本课程的学生约1000人。学生通过本课程的学习,须掌握有关流动的基本理论和基本方法,以及用水力学基本理论和方法分析解决实际工程问题的能力。

课程目标:

在教学内容上,针对不同专业方向及特点,采用平台加模块化的优化教学模式。所谓平台,是指关于流动的基本理论和基本方法,这是各专业都必须学的。另根据不同专业的特点加强不同内容的模块,如水利工程专业的模块内容注重水工水力学的讲授;港航专业加强明渠水力学的内容;给排水专业则加强管道水力学的内容等。这种平台加模块化的教学方法已采用多年,受到相关专业师生的好评。

2.知识模块顺序及对应的学时

对于水利类专业,《水力学》课堂教学 72学时/4学分

第1章
绪论
3学时
第2章
水静力学
7学时
第3章
水动力学基础
16学时
第4章
水流阻力与水头损失
10学时
第5章
量纲分析与相似原理
4学时
第6章
恒定管流
4学时
第7章
明渠恒定流
12学时
第8章
孔口(管嘴)出流和堰闸流
6学时
第9章
泄水建筑物下游的水流衔接与消能
2学时
第10章
水击
2学时
第11章
渗流
4学时

 

3.课程重点、难点及解决办法

(1)课程重点

重点为第1~7章,是各专业都应当学习的水力学基本理论和基本方法

(2)难点

  • 水流阻力和水头损失;
  • 明渠水面曲线的分析计算

(3)解决办法

    1. 通过实践性教学环节,一方面增强学生对各种水流现象的感性认识;另一方面通过学生动手操作,可验证书本所学的水流运动及水头损失规律;
    2. 通过习题及其讲评,加深学生对基本概念的理解;
    3. 通过上机计算,了解明渠水面曲线的变化规律以及现代高科技在水力学研究中的应用。

 

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实践教学部分

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实践教学环节的设计思想与效果及目标

水力学实验是水力学课程不可替代的实践性教学环节,自水力学课程诞生以来,国内外各高校都为水力学课程配有专门的水力学实验室。
        武汉大学水力学实验室经历了近60年的发展过程。近年来,本课程借211工程建设的契机,,使水力学实验室完成了“水力学开放实验教学”历史性的重大改革。实现了水力学教学实验设备先进、小型、多台、自循环、整齐划一的改造,并对全校师生开放。使武汉大学拥有了华中地区最先进的水力学实验室,同时也成为全国高校中最先进的水力学实验室之一。在此基础上,组织编写了《水力学实验指导书》和实验教学大纲。使水力学开放实验教学有了一套完整的教学体系和科学的管理办法。

1、水力学实验教学的设计思想:

 

1) 演示性实验主要为各种流动现象和水流运动规律的演示,以期增强学生对流动现象及水流运动基本规律的感性认识。

2) 验证性实验让学生通过动手实验,验证书本上所学的水力学基本理论,从而加深对这些基本理论的理解。

3)综合性、设计性实验旨在培养学生对水力学基本理论的综合应用能力以及独立从事科学研究的能力和兴趣。

4)水力学实验教学的多媒体仿真模拟:针对远程教育和网络教育开发研制的水力学实验教学多媒体仿真模拟软件,拉近了理论教学与实践教学的距离,也拉近了书本知识与实际工程的距离,节省了教育经费。

以上设计思想中前两项是对传统的实验项目的进一步完善,具有很强的系统性和科学性,是水力学课程的重要组成部分,已得到相关专业师生的充分肯定。第三项正在建设实施中,也是水力学精品课程建设的重要内容。

2、水力学实验教学的效果 :

 

    水力学实验一直是学生最喜爱的课程之一,特别是水力学流体力学大学生开放实验室建成以后,极大地调动了学生的学习兴趣和主动性。除了水利、土木、动机、环境类专业必修本课程的学生之外,还有来自其它专业和外校的师生前来选做水力学实验,受到一致好评。水力学实验课加深了学生对水力学基本理论的理解,是理论与实践之间的桥梁,也是引导学生从事科学研究的重要途径,具有不可替代的作用。


实践环节的具体内容

《水力学》实验课对水利类专业实行单独开课:

18学时/0.5学分

 

讲解内容

实践学时

演示实验:流动现象演示(7种),流线、流态、水面线演示,能量方程演示,空化机理、紊动机理、虹吸管原理、水泵特性、水击现象、水跃现象、势流叠加以及泄水建筑物消能等演示实验

2

静水压强量测实验

2

明槽流速分布量测实验

2

管道流态实验(雷诺实验)

2

文丘里流量量测实验

2

动量方程验证实验
2
沿程损失系数量测实验
2
沿程损失系数量测实验
2
局部损失系数量测实验
2
堰、闸流量系数量测实验
2
比拟法渗流流网量测实验
2

糙率测定实验

2




实践环节的组织形式与教师指导方法

  上述实验课的组织指导分3种类型:

  1. 演示性实验:主要由实验教师演示并讲解;
  2. 指导性实验:先由实验教师讲解实验方法及注意事项,然后由学生动手进行实验,实验完成后写出实验报告。主要包括流速量测、雷诺实验、堰闸流量系数量测和渗流流网实验。
  3. 开放性实验:完全由学生自主进行实验。实验室24小时对全校师生开放,随到随做。实验完成后写出实验报告。主要包括静压量测、文丘里、动量方程、沿程损失、局部损失和槽率测定等实验,学生可从中任选4个(多选不限)。

 


实践环节的考核内容与方法

  考核包括3部分内容:

  1. 考勤:每次实验学生必须签到,并凭学生证领取实验工具。(30%)
  2. 随堂口试(或小测验):灵活多变,生动活泼。(20%)
  3. 交实验报告:每个实验都必须写出实验报告(演示实验除外)。(50%)


实践环节的创新与特点

通过211工程几年的建设,目前水力学课程拥有“水力学流体力学开放实验室”,该实验室系《水资源与水电工程科学》国家重点实验室的组成部分。引进了国内最先进的流场结构量测设备(PIV和ADV)、计算机辅助教学设备,研制了水力学实验教学多媒体仿真模拟软件等。目前水力学实验教学方法和教学手段正在向多元化、现代化迈进。

实验仪器设备小型、台式、自循环、易操作、多台套,整齐划一,环境优美。使水力学课程具有我校建校以来最好的教学环境和实验条件。

水力学实验教学包括演示性实验、指导性实验和开放性实验3部分,其中开放实验教学是水力学课程实践教学环节改革最突出的特点,它面向全校师生实行全天开放,学生可自主选择实验项目,随到随做。不仅提高了学生的动手能力,还激发了学生从事科学研究的兴趣。

 

    

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※教学条件


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教材使用与建设

 

水力学教研室一向把教学工作放在第一位,把提高教学质量和教师整体水平作为中心任务,取各家之所长是我们的一贯作风。长期以来,我们使用过全国各高校编写的各种版本的《水力学》和《流体力学》教材。近五年使用的教材主要有:

  近五年使用的教材

  • 徐正凡主编《水力学》,高等教育出版社,1986.10,(获全国优秀教材1等奖)
  • 清华大学水力学教研组编《水力学》,人民教育出版社,1981.8
  • 吴持恭主编《水力学》,高等教育出版社,1990.2
  • 西南交大水力学教研室《水力学》,高等教育出版社,1986.3
  • 孔珑主编《工程流体力学》,1990.3
  • 李炜 徐孝平主编《水力学》,武汉水利电力大学出版社,2000.6
  • 李大美 杨小亭主编《水力学》,武汉大学出版社, 2004.8

   扩充性资料

1)《水力学习题集》,水力学教研室自编资料;

2)《流体力学》,郑邦民主编;

3)《计算流体力学》,陈汉平主编

4)《洪水水力学》,郑邦民、槐文信、齐鄂荣主编;

5)《高速水力学》,李建中、宁利中主编;

6)《水力学中微分方程应用》,李文雄主编;

7)《环境水力学》,黄克中主编;

8)《生态水力学》,李大美著

   实验教材

为配合开放式实验教学改革,培养学生动手能力和从事科学研究的兴趣,重新编写了实验教材《水力学实验指导书

该教材指导性强,图文并茂。包括10种演示实验和20种动手操作实验。能有效指导学生独立完成这一实践性教学环节。该实验教材使用4年来,来开放实验室做实验的学生近4000人,全都达到了教学大纲要求。

实践教学环境

经过211工程几年的建设,使本课程的教学环境越上了一个新台阶。

水力学流体力学开放实验室已经建成,所有实验教学仪器设备全部得到更新。可开出各种演示、量测、综合性实验20多种。实验室对全校师生开放,使实验教学水平得到很大的提高。得到教育部211建设评估专家和各级领导的一致好评。水力学课程的实践教学环境现拥有800 m2 开放实验室。全部采用新型、台式、小型、自循环仪器。环境优美、整齐划一。

研制了水力学实验仿真模拟软件,可演示在实验室难于实现的流动显现,也可通过计算机进行各种操作实验,以节省资源。

网络教学环境

本课程已完成《水力学》电子版教材、多媒体课件、双语教学多媒体课件(部分章节)全程授课录象和《水力学》课程教学网页。

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教学方法与教学手段


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   随着教学改革的深入和一批老教师淡出教学岗位,新一代教师已成长起来。他们在给水力学课程带来青春活力的同时,也给本课程带来新观念、新思路。生动活泼的教学方法和各种现代化的教学手段,已在各种教学活动中悄然展开,传统的粉笔式教学方法已受到严重挑战。

互动式课堂教学受到学生好评

传统的学究式、填鸭式课堂教学,已不能适应新时代青年学生接受知识的要求。为了调动学生学习的兴趣和主动性,提高课堂教学的效果,就应当让学生与教师互动起来。这势必对教师提出了更高的要求,即要求教师在精通教学内容的同时,还要用生动、诙谐的语言、深入浅出的比喻、灵活多变的讲解、有问有答的引导,让学生在向往与探索中获得新的知识。

双语教学旨在提高学生的听说能力和专业外语水平

为适应新时期用人单位对学生外语能力的要求,促进与世界各国的学术交流与合作,与国际接轨。双语教学已在水力学教学中试用多年(始于1982年)。对提高学生听说能力和专业外语水平有很好的促进作用。

多媒体教学能让学生在课堂上看到各种流动现象和实际工程的图片

《水力学》课程部分章节的多媒体辅助教学(CIA)也在水力学教学中试用多年,包括各种流动现象的仿真模拟软件研制,并引进了《明渠流》、《消能防冲》等多套电视教学录相片等,不仅丰富了教学内容,增强了学生的感性认识,也使学生对水力学基本概念有更深的理解。

上机作业能有效提高学生的计算机能力

为适应新时期用人单位对学生计算机能力的要求,培养学生编程计算和开发应用标准软件的能力,是水力学课程对学生的基本要求之一。学校和水利水电学院为本科生提供了设备先进、完善的计算中心。学生通过水力学课程的上机作业,其计算机能力都有不同程度的提高。

开放式实验教学提高了学生的动手能力和从事科学研究的兴趣

水力学流体力学开放实验室已于2001年建成,并24小时对全校师生开放。学生随到随做,极大地提高了学生的动手能力和从事科学研究的兴趣。该实验室运行4年来,不仅水利类学生来做实验,还有非水利类、甚至非工程类学生前来做实验,甚至还有来自其它兄弟院校的师生。受到来此参观学习的师生和同行专家的一致好评。

以教学促进科研、以科研成果充实教学内容,教师素质在教学与科研中得到提高

水力学课程是一门重要的专业基础课,重视教学、努力提高教学质量和师资水平是该课程的优良传统。随着科学技术的发展和该课程师资队伍的不断更新,高学历的年轻教师、特别是留学回国人员的不断加入,给水力学课程建设带来了全新的理念:单纯的教学无法让水力学课程走出传统教学模式的桎栲,只有以教学促进科研、以科研成果充实教学内容,才能让教师素质在教学与科研中得到提高。多年来,水力学教研室的教师队伍在承担各种科研任务的同时,水力学课程的教学水平也得到长足的进步。

 

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※教学效果


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同行专家评价

  1、水力学教研室是一个优秀的团队,连续3年被评为院、校教学优秀教研室

水力学教研室是一个以教学为主的教研室,重视教学质量和师资队伍综合素质提高是本教研室的优良传统,在各兄弟院校中享有盛誉。先后有来自全国各高校的十余名青年教师,到我教研室进修学习。这些进修教师回去后,多成为学校的教学、科研骨干、学术带头人。

2、2001年,《水力学》课程被评为湖北省优质课程。

经武汉大学推荐,2001年,《水力学》课程被评为湖北省优质课程。受到省教育厅高工委的高度重视和与会专家的好评。

3、多名教师被评为学校或湖北省的优秀教师

其中包括,第二届湖北省青年科技奖,湖北省有突出贡献的中青年专家, 电力工业部跨世纪学术带头人,湖北省百名跨世纪优秀青年人才, 湖北省新长征突击手标兵称号, 国家级有突出贡献的中青年专家,国务院政府特殊津贴专家,国家教育部霍英东教育基金会青年教师奖, 湖北省跨世纪学术带头人, 武汉大学师德标兵, 湖北省教书育人先进个人, 湖北省优秀研究生指导教师等。

4、2005年《水力学》课程被评为湖北省精品课程

多项教学成果获学校或湖北省优秀教学成果奖

1)国家级奖:教育部优秀教学成果2等奖
2)省部级奖:湖北省优秀教学成果1等奖《水力学流体力学开放实验教学研究》,武汉大学教改项目,2000~2001,已完成。
3)校级奖励:
(1)荣获武汉大学优秀教学成果特等奖。水力学实验教学多媒体仿真模拟软件研制,武汉大学教改项目,2001~2002,已完成。
(2)获武汉大学优秀教学成果1等奖

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学生评价

水力学课程的教学效果历来受到学生好评,教书育人、为人师表,传道授业、诲人不倦是该课程教师的优良传统,教学内容由浅入深、循循善诱,把复杂的水流运动、描述水流运动的各种复杂的数学方程,变成物理概念清晰、运用自如、可解决实际问题的有用工具。这是学生对水力学教师的共同评价。不少毕业生感慨地说,高等数学和物理学得最好的学生,不一定是最优秀的毕业生。但水力学课程学得好的学生,一定是最优秀的毕业生。因为水力学课程为基础课与专业课架起了一道有力的桥梁。只有顺利通过这一桥梁的人,才能成为优秀的水电建设后备人才。据武汉大学教学督导组介绍,历年学生给水力学课程教师的总体评分,都居工学部各课程之首。

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课堂教学录像资料要点

自水力学课程部分章节授课录相上网以来,已陆续收到学生反馈意见。他们认为网络教学的最大优点是教学内容可以重现。另外,许多流动现象的图片和动画演示,以及各种实际水利工程的大量图片,可使学生增加感性认识。这些都是传统教学方式无法实现的。

现在水力学课程全程授课录相已制作完成并上网,即将对全校师生乃至全社会开放。预期水力学课程全程授课录相上网后,不仅对全日制本科生的水力学课程学习带来历史性的变革,同时对远程教学和网络教学产生深远的影响。我们将根据反馈的意见,对水力学课程全程授课录相不断进行修改,使之逐渐完善。



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